La soufflerie plasma à basse pression PHEDRA pour des études appliquées à la rentrée atmosphérique à haute enthalpie

Viviana Lago

Laboratoire ICARE, CNRS Orléans France

Résumé

Le transport humain pour l’exploration spatiale est l’un des plus grands défis de ce siècle, nécessitant des efforts continus pour concevoir et fabriquer des véhicules spatiaux à la fois sûrs et économiques. Depuis plusieurs années, les générateurs à arc (ou « arc-jets ») sont employés pour tester les matériaux de protection thermique dans des conditions simulant la rentrée atmosphérique. Ces écoulements de plasma à basse pression sont souvent en situation de non-équilibre thermique, et l’analyse des réactions chimiques est cruciale pour comprendre la formation d’espèces réactives qui peuvent endommager les véhicules spatiaux. Ainsi, une connaissance approfondie des propriétés de l’écoulement libre est indispensable pour comprendre l’interaction détaillée entre cet écoulement et le matériau de protection. Cela inclut la température et la densité locales des électrons, les taux de dissociation moléculaire, la répartition des populations d’états internes des particules lourdes, ainsi que des paramètres fluidiques tels que le flux de chaleur, la pression de stagnation et la vitesse.

PHEDRA est une installation d’essai au sol à haute enthalpie (allant de quelques MJ/kg jusqu’à 50 MJ/kg) utilisée pour simuler les conditions de vol des engins spatiaux lors des entrées atmosphériques planétaires. Les flux de chaleur mesurés dans les écoulements de plasma d’air peuvent atteindre 35 W/cm² près de la sortie de la tuyère. La soufflerie Phedra est équipée d’un générateur à arc DC qui produit des écoulements de plasma stationnaires à basse pression, se dilatant dans une chambre à vide maintenue à une pression ambiante de quelques pascals, permettant ainsi un fonctionnement continu pendant plusieurs heures. La densité d’électrons obtenue permet également d’étudier les effets des actionneurs MHD pour le contrôle des ondes de choc, ou encore la possibilité de réduire le phénomène de blackout. Le caisson d’expériences est relié à un groupe de pompage à trois étages (26 000 m³/h) garantissant une pression résiduelle d’environ 2 Pa dans la chambre à vide pendant les tests. L’alimentation en courant continu (DC) fonctionne à de basses tensions (10-70 V) et de faibles courants (50-250 A), délivrant des puissances typiques de 5 à 20 kW à l’écoulement dans la région du col de la buse de l’arc-jet. Les faibles débits massiques (0,1-2 g/s) traversant le col de la tuyère assurent des jets de plasma stables avec une enthalpie spécifique élevée (2-50 MJ/kg) et un rendement global de 50-70 %, tout en minimisant le niveau de contamination. L’installation Phedra est équipée de l’instrumentation nécessaire pour acquérir les paramètres du plasma en temps réel et évaluer l’enthalpie spécifique. Cette soufflerie à plasma fonctionne en continu, avec le générateur à arc produisant des plasmas supersoniques (Mach 2 à 7) à basse pression (1-3 Pa), utilisant une large gamme de gaz tels que l’argon, l’azote, le CO2, le CH4, l’air (80 % N2 – 20 % O2 pour représenter l’atmosphère terrestre), 97 % CO2 – 3 % N2 (pour l’atmosphère de Mars) et 99 % N2 – 1 % CH4 (pour celle de Titan).

Figure 1 : moyen d’essai PHEDRA, caisson d’expériences et groupe de pompage

Figure 2 : effet des actionneurs MHD sur la modification des ondes de choc

Références

[1] Lago, Viviana, et al. « Modification of the bow shock shape and thermal effects with MHD actuator in supersonic low-pressure plasma flows. » HiSST: 2nd International Conference on High-Speed Vehicle Science Technology. 2022.

[2] Lago, Viviana. « Specific enthalpy and heat flux measurements in the arc-jet supersonic low-pressure facility Phedra. » A3AF, 53rd International Conference of Applied Aerodynamics, AERO 2018, 26-28 March 2018.. 2018.

[3] Lago, Viviana. « Radiation Measuredskjhfqkjdfhments in Low Pressure High Enthalpy Flows from VUV to near IR region. » 20th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. 2015.

[4] Lago, V. « Electron and vibrational temperatures in hypersonic CO2–N2 plasma jets. » Plasma Sources Science and Technology 17.4 (2008): 049801.

[5] Ndiaye, A. A., and V. Lago. « Optical spectroscopy investigation of N2–CH4 plasma jets simulating Titan atmospheric entry conditions. » Plasma Sources Science and Technology 20.1 (2011): 015015.

[6] Lago, V., et al. « Electron energy distribution function in plasma arc jets. » High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes 6.1 (2002).